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摘要：本文基于ANSYS中的计算流体动力学软件CFD与CFX，采用SST 湍流物理模型和非结构化网格，并在离地面一定高度内采用覆层细化网格，利用混合迎风格式对福建土楼中的圆形土楼建筑进行数值模拟，得出行人高度处的风速比、风矢量，采用风环境评价方法对土楼建筑的风环境进行评价，特别指出风环境不良的区域。通过数值模拟可以较全面地获得建筑物内外各个区域的风速和流动情况，为风环境的评估提供依据，是一种确实可行的、有效的方法。
关键词：福建土楼；圆形土楼；数值模拟；风环境
中图分类号： K826.16文献标识码：A 文章编号：
福建土楼是历史时期协调人与自然、人与社会关系的产物。土楼由于本身的建筑状况所限,内部的风环境如何，能否满足现代的需求是一个值得讨论的问题。因此, 较精确地研究与预测土楼建筑物的风环境，探讨其内在的机理与规律，对居住土楼的人们生活环境的改善等有着十分重要的意义。
1 几何模型
本文选取圆形土楼为模型，外径D=80m，内径d=60m，屋檐高h=16m，其比值D:d:h=1:0.75:0.2，屋面坡度为1:5。
2网格划分
利用ANSYS中的FLOTRAN CFD与CFX技术进行模拟，计算域宽度和高度应选取合适的大小[1]。此外，还有一个非常必要的条件：在选择计算域的大小时，应保证进口截面的阻塞率<3%的要求。
(1)
本文采用适应性强的非结构化网格的同时，在实体(地面，建筑物)表面加密网格的方法来得到较精密的网格，加密厚度为。
(2)
式中，为第一层棱柱体网格厚度(m)，为厚度变化率，为层数。文中三种模型均采用。
3边界条件
入口风剖面：
(3)
湍流强度:
(4)
式(3)中，为垂直高度位置的水平风速，为参考高度处的风速，本文取=1m，=6.918m/s;该建筑所处地面粗糙度为B类，粗糙度系数取为0.16，m。
湍流动能：
(5)
湍流积分尺度：
(6)
耗散率：
(7)
式(6)中，为建筑物的高度。式(7)中，常数= 0.09，卡曼常数= 0.41，湍流动能、湍流积分尺度分别由式(5)、式(6)确定[2-3]。
壁面条件：数值风洞上表面、侧面：采用自由滑移(wall, free slip)；壁面上速度均为0，即低矮房屋的表面取u=v=k==0；计算域下表面：无滑移地面(wall, no slip)，在近壁区则采用壁面函数法[4]。出口条件：出口边界布置在离房屋外墙较远处，认为湍流己经充分发展(static pressure=0)，沿流动方向没有变化，因而取各变量的法向导数为0。
4湍流模型
湍流物理模型应用较多的标准双方程模型采用了 Boussinesq 假定，即采用了梯度型和湍流粘性系数各向同性的概念，因而使模型难以准确模拟剪切层中平均场流动方向的改变对湍流流场的影响[5]；并且采用了一系列的经验系数，这些系数都是在一定试验条件下得出来的，因而也限制了模型的使用范围。文献[6]指出在有曲率影响的情况下，湍流结构发生了较大的变化，湍流强度不是各向同性，这时用标准模型计算所得结果与实验测验结果偏差较大。本文采用SST 湍流物理模型，1.75阶迎风格式[7-8]，压力与速度耦合采用simple算法和交错网格技术实现，迭代残差小于 0.0001时认为计算收敛。
5 计算结果分析
5.1行人高度处风速矢量云图
图1给出了圆形土楼在0°风向角下行人高度处的风速矢量云图，当来流方向与土楼的对称轴平行时，来流在土楼内部产生水平柱状漩涡，场内中央离地1.5m高度处的风速矢量与来流方向大致相反。土楼墙面相近点切线夹角过渡平滑，旋涡附着较快而在土楼背风面未形成柱状旋涡，侧流在土楼背风面叠加后形成尾流。
图1 圆形土楼风速矢量云图(0°)
5.2行人高度处风速比分布云图
由图2可以看出，圆形土楼外风速比呈对称分布；在外墙两侧形成马蹄状的强风区域，风速比最大为1.94，风速增大近一倍；迎风面前方由于风撞击回流形成一个较小的驻涡、背风面在两侧绕流的抵消作用下而风速比较小；雷诺数处于跨临界范围，尾流区旋涡脱落较快，使得侧流在尾流区叠加而风速比大于1.00。土楼内的风速比最小为0.10，最大为1.00，平均为0.64，内墙附近区域风速比较小，中央区域偏大，绝大部分区域的风速比大于0.42。土楼背风内墙面附近区域风速比较小。
圖2 圆形土楼风速比云图(0°)
6.3顺风向风场图
圆形土楼在0°风向角下的顺风向风流场如图3所示。可以看出，来流在迎风屋面处发生分离，风速较大；撞击迎风墙面回流，风速较小。在土楼院内空中形成一个充满院内空间的旋涡，在背风面来流附着较快叠加后形成尾流，近尾流区未形成旋涡。
图30°风向角下圆形土楼顺风向风流场图
6结论
本文通过对圆形土楼周围风场的模拟，获得了圆形土楼行人高度处的风矢量、风速比以及周围的流场。
通过数值模拟可以较全面地获得建筑物周围的风速和流动情况，为风环境的评估提供依据。圆形土楼内的风速比小于土楼外，土楼建筑对场内呈现明显的遮挡效应。土楼院内的房屋能改变行人高度处的流场，使平均风速比减小。土楼的天井给楼内提供一个气流交换的通道，维持了楼内的空气质量和热量，形成一个微气候环境。而且内部空间大的土楼风环境优越。土楼建筑中首层多用做厨房，二楼用做储藏，三楼及以上用做堂屋、卧室并在外墙开窗，从风环境的角度看，是非常合理的。
参考文献：
[1] 彭兴黔,乔常贵,时凌琳.低矮门式刚架厂房数值风洞模拟中计算域的设定[J].兰州理工大学学报,2008,34(5): 139-143.
[2] G.M. Richartson, R.P. Hoxey, A.P.Robertson, L.J. Short.The silsoe structures Building Comparisons of pressures measured at full scale and in two tunnels [J]. Wind Eng.Ind.Aerodyn. 1997.72:187~197.
[3] Richard M. Aynsley. Politics of Pedestrian Level Urban Wind Control [J]. Building and Environment, 1989, 24(4):291-295.
[4] 陶文锉. 数值传热学(第2版)[M]. 西安交通大学出版社,2001.
[5] Akashi Mochida, Isaac Y.F. Lun. Prediction of wind environment and thermal comfort at pedestrian level in urban area[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96:1498–1527.
[6] 刘正先,苗永淼.有曲率影响的湍流流场中几种k-ζ模型的数值[J].天津大学学报,2000,33(1):97-100.
[7] Yoshihide Tominagaa, Akashi Mochidab, et al. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96: 1749–1761.
[8] 曾锴,汪丛军,黄本才,等.计算风工程中几个关键影响因素的分析与建议[J].空气动力学学报,2007.25(4):504-508.
关键词：福建土楼；圆形土楼；数值模拟；风环境
中图分类号： K826.16文献标识码：A 文章编号：
福建土楼是历史时期协调人与自然、人与社会关系的产物。土楼由于本身的建筑状况所限,内部的风环境如何，能否满足现代的需求是一个值得讨论的问题。因此, 较精确地研究与预测土楼建筑物的风环境，探讨其内在的机理与规律，对居住土楼的人们生活环境的改善等有着十分重要的意义。
1 几何模型
本文选取圆形土楼为模型，外径D=80m，内径d=60m，屋檐高h=16m，其比值D:d:h=1:0.75:0.2，屋面坡度为1:5。
2网格划分
利用ANSYS中的FLOTRAN CFD与CFX技术进行模拟，计算域宽度和高度应选取合适的大小[1]。此外，还有一个非常必要的条件：在选择计算域的大小时，应保证进口截面的阻塞率<3%的要求。
(1)
本文采用适应性强的非结构化网格的同时，在实体(地面，建筑物)表面加密网格的方法来得到较精密的网格，加密厚度为。
(2)
式中，为第一层棱柱体网格厚度(m)，为厚度变化率，为层数。文中三种模型均采用。
3边界条件
入口风剖面：
(3)
湍流强度:
(4)
式(3)中，为垂直高度位置的水平风速，为参考高度处的风速，本文取=1m，=6.918m/s;该建筑所处地面粗糙度为B类，粗糙度系数取为0.16，m。
湍流动能：
(5)
湍流积分尺度：
(6)
耗散率：
(7)
式(6)中，为建筑物的高度。式(7)中，常数= 0.09，卡曼常数= 0.41，湍流动能、湍流积分尺度分别由式(5)、式(6)确定[2-3]。
壁面条件：数值风洞上表面、侧面：采用自由滑移(wall, free slip)；壁面上速度均为0，即低矮房屋的表面取u=v=k==0；计算域下表面：无滑移地面(wall, no slip)，在近壁区则采用壁面函数法[4]。出口条件：出口边界布置在离房屋外墙较远处，认为湍流己经充分发展(static pressure=0)，沿流动方向没有变化，因而取各变量的法向导数为0。
4湍流模型
湍流物理模型应用较多的标准双方程模型采用了 Boussinesq 假定，即采用了梯度型和湍流粘性系数各向同性的概念，因而使模型难以准确模拟剪切层中平均场流动方向的改变对湍流流场的影响[5]；并且采用了一系列的经验系数，这些系数都是在一定试验条件下得出来的，因而也限制了模型的使用范围。文献[6]指出在有曲率影响的情况下，湍流结构发生了较大的变化，湍流强度不是各向同性，这时用标准模型计算所得结果与实验测验结果偏差较大。本文采用SST 湍流物理模型，1.75阶迎风格式[7-8]，压力与速度耦合采用simple算法和交错网格技术实现，迭代残差小于 0.0001时认为计算收敛。
5 计算结果分析
5.1行人高度处风速矢量云图
图1给出了圆形土楼在0°风向角下行人高度处的风速矢量云图，当来流方向与土楼的对称轴平行时，来流在土楼内部产生水平柱状漩涡，场内中央离地1.5m高度处的风速矢量与来流方向大致相反。土楼墙面相近点切线夹角过渡平滑，旋涡附着较快而在土楼背风面未形成柱状旋涡，侧流在土楼背风面叠加后形成尾流。
图1 圆形土楼风速矢量云图(0°)
5.2行人高度处风速比分布云图
由图2可以看出，圆形土楼外风速比呈对称分布；在外墙两侧形成马蹄状的强风区域，风速比最大为1.94，风速增大近一倍；迎风面前方由于风撞击回流形成一个较小的驻涡、背风面在两侧绕流的抵消作用下而风速比较小；雷诺数处于跨临界范围，尾流区旋涡脱落较快，使得侧流在尾流区叠加而风速比大于1.00。土楼内的风速比最小为0.10，最大为1.00，平均为0.64，内墙附近区域风速比较小，中央区域偏大，绝大部分区域的风速比大于0.42。土楼背风内墙面附近区域风速比较小。
圖2 圆形土楼风速比云图(0°)
6.3顺风向风场图
圆形土楼在0°风向角下的顺风向风流场如图3所示。可以看出，来流在迎风屋面处发生分离，风速较大；撞击迎风墙面回流，风速较小。在土楼院内空中形成一个充满院内空间的旋涡，在背风面来流附着较快叠加后形成尾流，近尾流区未形成旋涡。
图30°风向角下圆形土楼顺风向风流场图
6结论
本文通过对圆形土楼周围风场的模拟，获得了圆形土楼行人高度处的风矢量、风速比以及周围的流场。
通过数值模拟可以较全面地获得建筑物周围的风速和流动情况，为风环境的评估提供依据。圆形土楼内的风速比小于土楼外，土楼建筑对场内呈现明显的遮挡效应。土楼院内的房屋能改变行人高度处的流场，使平均风速比减小。土楼的天井给楼内提供一个气流交换的通道，维持了楼内的空气质量和热量，形成一个微气候环境。而且内部空间大的土楼风环境优越。土楼建筑中首层多用做厨房，二楼用做储藏，三楼及以上用做堂屋、卧室并在外墙开窗，从风环境的角度看，是非常合理的。
参考文献：
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[7] Yoshihide Tominagaa, Akashi Mochidab, et al. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96: 1749–1761.
[8] 曾锴,汪丛军,黄本才,等.计算风工程中几个关键影响因素的分析与建议[J].空气动力学学报,2007.25(4):504-508.